Misteriozne kiseline održavaju štapićast oblik bakterija sputavajući odmetnuti enzim

Istraživači su otkrili kako kiseline na površini bakterija daju ovim mikroskopskim organizmima njihov karakterističan oblik štapića – odvraćajući enzim koji bi inače pretvorio cilindrične ćelije u mase promenljivog oblika.

Ovi nalazi daju novo razumevanje načina na koji bakterije kontrolišu svoj rast i pružaju uvide u prirodu najranijih oblika života na Zemlji. Studija takođe ukazuje na strategiju za prevazilaženje otpornosti na antibiotike putem ciljanja teihoinskih kiselina, zagonetnih molekula koji oblažu površinu nekih bakterija.

Preporučujemo

Bakterije se javljaju u nizu oblika, pri čemu su štapićaste bakterije ubedljivo najčešće. Oblik bakterija važan je medicinski pošto ćelijski zid, kruti egzoskelet bakterija, određuje oblik ćelije i meta je antibiotika.

„Oblik bakterije određuje kako ona raste, kako se deli i kako reaguje sa okruženjem”, kažu istraživači sa Odeljenja za biologiju Njujorškog univerziteta. „Razumevanje faktora koji daju oblik bakterijama je važno jer su to faktori koje želimo da sputamo pomoću antibiotika”.

Bacillus subtilis je bakterija u obliku štapića koja se prirodno nalazi u zemljištu i u crevima. Smatra se probiotikom, ili „dobrom” bakterijom, i koristi se za proizvodnju niza namirnica i korisnih proizvoda, uključujući japanski delikates nato, antibiotike, hijaluronsku kiselinu koja se koristi u nezi kože i poljoprivredne proizvode za podsticanje rasta biljaka i borbu protiv bolesti useva.

Ćelijski zid B. subtilisa i drugih gram-pozitivnih bakterija sastoji se od dve komponente: peptidoglikana, sloja šećera i aminokiselina koji prvenstveno sintetišu klasteri proteina, i dugih polimernih molekula zvanih teihoinske kiseline.

Studije pokazuju da kad se teihoinske kiseline uklone iz ćelija B. subtilisa - one gube oblik štapića i pretvaraju se u amorfne mase. Međutim, umesto da umru, one sporo i stabilno rastu u ovom alternativnom stanju.

Da bi proučili ulogu teihoinskih kiselina u ćelijskom zidu bakterija, istraživači su koristili mikroskop opremljen specijalnim laserom koji može da prati pojedinačne molekule. Takođe su koristili mikroskopski sistem cevi nazvan mikrofluidika da bi zarobili bakterijske ćelije i uklonili njihove teihoinske kiseline dok su pratili kretanje proteina koji grade ćelijski zid.

„Razvili smo način da izvodimo hemiju na površini živih ćelija dok istovremeno posmatramo unutarćelijsku biologiju, tehniku koju nazivamo in situ biohemija”, kažu istraživači.

Otkrili su da eliminacija zidnih teihoinskih kiselina kod B. subtilisa brzo zaustavlja klastere proteina i istovremeno oslobađa aktivnost enzima zvanog PBP1, koji obično ima neznatnu ulogu u sintezi ćelijskog zida tako što ispravlja greške proteinskih klastera.

To objašnjava zašto ćelije postaju amorfna masa. Proteini ojačavaju zid ćelije po periferiji dajući joj oblik štapića, dok PBP1 sintetiše peptidoglikan u nasumičnim pravcima.

Sledeće veliko pitanje bilo je kako teihoinske kiseline kontrolišu proteine. Pošto se smatralo da PBP1 popravlja rupe u ćelijskom zidu, naučnici su se pitali da li preuzima ulogu proteinskih klastera kad nedostatak teihoinskih kiselina otkrije pore u ćelijskom zidu.

Otkriveno da se nanometarske rupe pojavljuju u roku od nekoliko minuta nakon uklanjanja teihoinskih kiselina. Studija otkriva osnovnu funkciju teihoinskih kiselina: one popločavaju površinu ćelije tako da proteinski klasteri ne upadaju u rupe u ćelijskom zidu, a PBP1 ne reaguje preterano na male defekte koje ostave proteinski klasteri.

PBP1 ne samo da pokreće amorfni rast, već mu je ovaj enzim neophodan. Kod bakterija kojima nedostaje, uklanjanje teihoinskih kiselina dovelo je do istanjivanja ćelijskog zida, drastičnog povećanja pora ćelijskog zida i potpunog zaustavljanja rasta ćelije - i pored zadržavanja oblika štapića. Osim PBP1, istraživači su otkrili da rast ćelija bez teihoinskih kiselina zahteva i drugi enzim, LytE, koji „secka“ ćelijski zid i potreban je za rast u obliku štapića.

„Naši nalazi pokazuju da je rast bez teihoinskih kiselina pokretan kombinacijom PBP1 i LytE, što znači da teihoinske kiseline regulišu i sintezu i razgradnju ćelijskog zida kod B. subtilisa. Ćelije poseduju potpuno drugačiji način rasta pokretan ovim pomoćnim enzimima, poput rezervnog plana za situacije kad su tretirane lekovima koji inhibiraju sintezu teihoinskih kiselina”, kažu naučnici.

Ovo istraživanje daje informacije o načinu kako su prve bakterije na Zemlji, koje verovatno nisu imale jasno definisan oblik, uspevale.

„Kod Bacillus subtilisa, amorfni rast zahteva mnogo manje proteina nego rast u obliku štapića. Ćelije bez teihoinskih kiselina bi stoga mogle predstavljati model za jednostavnije, primordijalne ćelije. Isti osnovni principi koji su u osnovi proliferacije ćelija bez teihoinskih kiselina možda su odgovorni za proliferaciju ranog amorfnog života na Zemlji”, kažu istraživači.

Nalazi mogu imati implikacije za mnoge druge bakterije. Na primer, Listeria monocytogenes, još jedna gram-pozitivna bakterija u obliku štapića i uobičajeni uzrok bolesti prenesene hranom, takođe gubi svoj oblik kad se teihoinske kiseline uklone.

Studije pokazuju i da blokiranje sinteze teihoinskih kiselina kod meticilin-rezistentnog Staphylococcus aureusa (MRSA), najozloglašenije bakterije otporne na antibiotike, pomoću antiagregacijskog leka može ponovo da je učini osetljivom na antibiotike.

(Telegraf Nauka/Phys.org)